(57)【要約】【課題】入力電圧の変動に起因する損失を小さくすることにより、入力電圧が大きく変動する太陽光発電システムに適したＤＣ−ＤＣコンバータを得る。【解決手段】制御部１３は、入力電圧検出部１４により検出された主回路部１１への入力電圧が所定の電圧範囲にあるとき、補助回路部１２の補助スイッチング素子Ｑ２のオン及びオフを制御して補助回路部１２を機能させる第１制御を行い、主回路部１１の主スイッチング素子Ｑ１のソフトスイッチングを行う。一方、入力電圧が所定の電圧範囲以外にあるとき、すなわち、主回路部１１の主スイッチング素子Ｑ１のスイッチング損失よりも補助回路部１２の損失の方が大きいとき、補助スイッチング素子Ｑ２をオフにして補助回路部１２を機能させない第２制御を行い、主スイッチング素子Ｑ１のソフトスイッチングを行わない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主スイッチング素子を含む主回路部と、
インダクタ、キャパシタ及び補助スイッチング素子を含み、共振回路の共振現象を利用して前記主スイッチング素子のソフトスイッチングを行うための補助回路部と、
前記主回路部への入力電圧を検出する入力電圧検出部と、
前記主スイッチング素子及び前記補助スイッチング素子のオン及びオフを制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記入力電圧検出部により検出された入力電圧が所定の電圧範囲にあるとき、前記補助回路部の前記補助スイッチング素子のオン及びオフを制御して前記補助回路部を機能させる第１制御を行い、前記入力電圧が前記所定の電圧範囲以外にあるとき、前記補助回路部の前記補助スイッチング素子をオフにして前記補助回路部を機能させない第２制御を行うことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
インダクタ、キャパシタ及び補助スイッチング素子を含み、共振回路の共振現象を利用して前記主スイッチング素子のソフトスイッチングを行うための前記補助回路部とはインダクタのインダクタンス値が異なる他の補助回路部をさらに備え、
前記第１制御は、前記入力電圧が前記所定の電圧範囲とは異なる他の所定の電圧範囲にあるとき、前記他の補助回路部の補助スイッチング素子のオン及びオフを制御して前記他の補助回路部を機能させると共に、前記補助回路部の前記補助スイッチング素子をオフにして前記補助回路部を機能させないことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に太陽光発電システムに適したＤＣ−ＤＣコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、太陽光発電システムは、太陽電池パネルにより発電された直流電力の電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ（昇圧チョッパ）により所定の電圧に昇圧し、さらにＤＣ−ＡＣコンバータ（インバータ）により交流電力に変換して出力する。この種のＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、スイッチング素子のスイッチングの際に発生する損失を低減するため、共振回路の共振現象を利用し、スイッチング素子の両端電圧が０Ｖになる状態でスイッチング素子をオンさせるソフトスイッチング技術が知られている。（特許文献１参照）
【０００３】
ソフトスイッチングが可能なＤＣ−ＤＣコンバータの一構成例を図７に示す。ＤＣ−ＤＣコンバータ５０は、主回路部（昇圧チョッパ回路部）５１として機能する主インダクタＬ１、主スイッチング素子Ｑ１、主キャパシタＣ１及びＣ３、及びダイオードＤ４と、補助回路（共振回路）部５２として機能する補助インダクタＬ２、補助スイッチング素子Ｑ２、補助キャパシタＣ２と、逆流防止用のダイオードＤ１〜Ｄ３などで構成されている。直流電源をＥ１、負荷をＲ１とする。また、制御部５３は、主スイッチング素子Ｑ１及び補助スイッチング素子Ｑ２のオン及びオフを制御する。
【０００４】
主回路部５１のソフトスイッチングは、ＺＶＴ(Zero-Voltage-Transmission)と呼ばれ、主スイッチング素子Ｑ１の両端電圧が０Ｖのときにこの主スイッチング素子Ｑ１をオンさせることで、主スイッチング素子による損失を低減している。基本的な動作は、図８に示すように、制御部５３は、補助スイッチング素子Ｑ２を先にオンさせ、その後主スイッチング素子Ｑ１をオンさせる。
【０００５】
一般的に、補助回路部５２を構成する補助インダクタＬ２のインダクタンス値及び補助キャパシタＣ２の静電容量は、例えば直流電源Ｅ１の出力電圧など、定格入力電圧に対して設計されている。ところが、太陽光発電システムの場合、太陽電池パネルは、図９に示すような出力特性（Ｐ−Ｖ特性）を示す。すなわち、太陽電池パネルのＰ−Ｖ特性は、最大電力点を頂点として、そのときの出力電圧よりも電圧が高くなってもあるいは電圧が低くなっても、供給可能な電力が低下する。そのため、太陽光発電システムにおいては、太陽光発電システムに接続されたＤＣ−ＤＣコンバータに流れる電圧又は電流を制御して、太陽電池パネルから供給可能な最大電力を出力させる最大電力点追従制御が行われている。
【０００６】
図９において、ＰＶａは、日照条件が良く（例えば夏の快晴）、太陽電池パネルから供給可能な電力が最大の場合を示す。また、ＰＶｂは、比較的日照条件が良く（例えば春や秋の晴天）、太陽電池パネルから供給可能な電力が標準的な場合を示す。また、ＰＶｃは、日照条件が悪く（例えば冬の曇天）、太陽電池パネルからの電力供給がぎりぎり可能である場合を示す。
【０００７】
例えばＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧を制御して最大電力点追従制御を行う場合について説明する。連系運転の場合、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側の電圧は決まっているので、ＤＣ−ＤＣコンバータをＰＷＭ制御して、その入力側の電圧を段階的に変化させる。それに伴って、太陽電池パネルからの出力電圧が段階的に低下し又は上昇し、太陽電池パネルからＤＣ−ＤＣコンバータに取り込まれる電流量が増加又は減少する。太陽電池パネルの出力電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧と電流値から演算で求められる。太陽電池パネルの出力電力の変化をモニタしておき、出力電力の変化が増加から減少に変化したときに、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧を低下から上昇に切り替え、さらに、出力電力の変化が減少から増加に変化したときに、入力電圧を上昇から低下に切り替える。太陽電池パネルから供給可能な最大電力は、日照量や太陽電池パネルのセルの温度によって変化するので、常時ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧に微小な変化を与えておき、上記動作を継続して行うことにより、太陽電池パネルから供給可能な出力電力が、最大電力点付近で安定するように制御される。図９の各Ｐ−Ｖ特性における最大電力点ＰＶａ、ＰＶｂ及びＰＶｃでの出力電圧Ｖａ、Ｖｂ及びＶｃ付近の電圧が、それぞれＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧となる。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータの起動に際して、最も電圧の高い開放電圧が入力され、その後、最大電力点追従制御が行われることによって最大電力点ＰＶａ、ＰＶｂ及びＰＶｃでの出力電圧Ｖａ、Ｖｂ及びＶｃが入力される。換言すれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧は開放電圧からＶｃよりもやや低い電圧の間で変化する。太陽電池パネルの開放電圧の一例として、太陽電池パネルの直列接続枚数にもよるが、１００Ｖ〜４００Ｖ程度が想定され、ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力動作電圧範囲を１００Ｖ〜４００Ｖとして設計されることが多い。なお、日照量や太陽電池パネルのセルの温度の変化による太陽電池パネルの出力電圧の変化は、数Ｖ〜数十Ｖ程度である。そして、上記補助回路５２を構成する補助インダクタＬ２のインダクタンス値及び補助キャパシタＣ２の静電容量は、定格入力電圧を２００Ｖ〜２５０Ｖとして設計される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６４３４０２９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
元々、昇圧チョッパ回路５１の主スイッチング素子Ｑ１のスイッチング損失を低減するためにソフトスイッチングを行うが、入力電圧が変動すると、主インダクタＬ１に流れる電流によって補助回路５２に流れる電流の増加率又は減少率が変化し、補助回路５２の補助インダクタＬ２の抵抗やダイオードＤ１〜Ｄ４の順方向電圧降下によって損失が増加する。そして、入力電圧が定格入力電圧から大きくずれると、ソフトスイッチングによって低減される主スイッチング素子Ｑ１のスイッチング損失よりも、補助回路５２による損失の方が上回ってしまうという問題を有していた。
【００１０】
本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、入力電圧の変動に起因する損失を小さくすることにより、入力電圧が大きく変動する太陽光発電システムに適したＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、主スイッチング素子を含む主回路部と、インダクタ、キャパシタ及び補助スイッチング素子を含み、共振回路の共振現象を利用して前記主スイッチング素子のソフトスイッチングを行うための補助回路部と、前記主回路部への入力電圧を検出する入力電圧検出部と、前記主スイッチング素子及び前記補助スイッチング素子のオン及びオフを制御する制御部を備え、前記制御部は、前記入力電圧検出部により検出された入力電圧が所定の電圧範囲にあるとき、前記補助回路部の前記補助スイッチング素子のオン及びオフを制御して前記補助回路部を機能させる第１制御を行い、前記入力電圧が前記所定の電圧範囲以外にあるとき、前記補助回路部の前記補助スイッチング素子をオフにして前記補助回路部を機能させない第２制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
インダクタ、キャパシタ及び補助スイッチング素子を含み、共振回路の共振現象を利用して前記主スイッチング素子のソフトスイッチングを行うための前記補助回路部とはインダクタのインダクタンス値が異なる他の補助回路部をさらに備え、
前記第１制御は、前記入力電圧が前記所定の電圧範囲とは異なる他の所定の電圧範囲にあるとき、前記他の補助回路部の補助スイッチング素子のオン及びオフを制御して前記他の補助回路部を機能させると共に、前記補助回路部の前記補助スイッチング素子をオフにして前記補助回路部を機能させないことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
このような構成によれば、主回路部の入力電圧に対してインダクタのインダクタンス値が適合していない補助回路部は機能しないので、補助回路部による損失は発生しない。また、補助回路部のインダクタのインダクタンス値が主回路部の入力電圧に適合しているときは、その補助回路部が機能し、主回路部の主スイッチング素子に対してソフトスイッチングを行うことができる。その結果、主スイッチング素子のスイッチング損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図。
【図２】図１における入力電圧検出部の具体的な構成を示す回路図。
【図３】（ａ）は補助回路部を機能させた第１制御における各スイッチング素子のオン及びオフのタイミングを示すタイミングチャート、（ｂ）は補助回路部を機能させない第２制御における各主スイッチング素子のオン及びオフのタイミングを示すタイミングチャート、（ｃ）は入力電圧と、閾値と、制御の関係を示す図。
【図４】上記実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの変形例の構成を示す回路図。
【図５】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ上記変形例における入力電圧と、閾値と、制御の関係を示す図。
【図６】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ上記変形例における各スイッチング素子のオン及びオフのタイミングを示すタイミングチャート。
【図７】従来のＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図。
【図８】従来のＤＣ−ＤＣコンバータにおける主スイッチング素子Ｑ１と補助スイッチング素子Ｑ２のオン及びオフのタイミングを示すタイミングチャート。
【図９】太陽電池パネルの出力特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータについて説明する。図１は本実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ１０の構成を示す。図７に示す従来例と同様に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、主回路部（昇圧チョッパ回路部）１１として機能する主インダクタＬ１、主スイッチング素子Ｑ１、主キャパシタＣ１及びＣ３及びダイオードＤ４と、補助回路（共振回路）部１２として機能する補助インダクタＬ２、補助スイッチング素子Ｑ２、補助キャパシタＣ２と、逆流防止用のダイオードＤ１〜Ｄ３などで構成されている。直流電源をＥ１、負荷をＲ１とする。また、制御部１３は、例えばＣＰＵなどで構成され、主スイッチング素子Ｑ１及び補助スイッチング素子Ｑ２のオン及びオフを制御する。さらに、このＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、主回路部１１への入力電圧を検出する入力電圧検出部１４をさらに備えている。図２に示すように、入力電圧検出部１４は、差動増幅回路と反転増幅回路で構成されている。なお、入力電圧検出部１４の構成は特に限定されず、その他の構成であってもよい。
【００１６】
制御部１３は、入力電圧検出部１４により検出される主回路部１１への入力電圧と比較される２つの電圧閾値を記憶している。例えば、主回路部１１への入力電圧が１００Ｖ〜４００Ｖの間で変化すると仮定すると、高い方の第１閾値を３００Ｖ、低い方の第２閾値を２００Ｖに設定する。そして、制御部１３は、入力電圧検出部１４により検出された入力電圧とこれら第１閾値及び第２閾値と比較する。そして、入力電圧が第２閾値以上で、且つ、第１閾値未満であるとき（すなわち、入力電圧が所定の電圧範囲にあるとき）、補助回路部１２の補助スイッチング素子Ｑ２のオン及びオフを制御して補助回路部１２を機能させる（第１制御）。一方、入力電圧が第２閾値未満であるとき及び入力電圧が第１閾値以上であるとき（すなわち、所定の電圧範囲以外にあるとき）、補助回路部１２の補助スイッチング素子Ｑ２をオフにして補助回路部１２を機能させない（第２制御）。
【００１７】
図３は、本実施形態における動作を表しており、（ａ）は上記第１制御を行うときの主スイッチング素子Ｑ１と補助スイッチング素子Ｑ２のオン及びオフを表す。また、（ｂ）は上記第２制御を行うときの主スイッチング素子Ｑ１と補助スイッチング素子Ｑ２のオン及びオフを表しており、補助スイッチング素子Ｑ２は常時オフである。（ｃ）は、入力電圧と、第１閾値及び第２閾値と、制御部１３による第１制御及び第２制御の関係を示す。
【００１８】
このような制御方法を採ることにより、補助回路部１２を構成する補助インダクタＬ２のインダクタンス値及び補助キャパシタＣ２の静電容量の設計基準電圧付近の電圧２００Ｖ〜３００Ｖの範囲で、第１制御が行われる。すなわち、補助回路部１２により、主回路部１１の主スイッチング素子Ｑ１のソフトスイッチングが実行される。そのため、入力電圧が２００Ｖ以上で、且つ、３００Ｖ未満の範囲で主スイッチング素子Ｑ１のスイッチング損失が低減される。一方、入力電圧が２００Ｖ未満又は３００Ｖ以上の範囲では、主回路部１１の主スイッチング素子Ｑ１のソフトスイッチングが実行されず、主スイッチング素子Ｑ１のスイッチング損失は低減されない。しかしながら、入力電圧に対して適合していない補助回路部１２が機能しないので、補助回路部１２の補助インダクタＬ２などによる損失は発生しない。前述のように、入力電圧が定格入力電圧から大きくずれると、ソフトスイッチングによって低減される主スイッチング素子Ｑ１のスイッチング損失よりも、補助回路部１２による損失の方が上回ってしまうが、補助回路部１２を機能させないことによって、結果的に、全体的な損失を低減することができる。
【００１９】
図４は、上記ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の変形例を示す。この変形例では、第１補助回路部１２Ａと第２補助回路部１２Ｂの２つの補助回路部を有している。第１補助回路部１２Ａと第２補助回路部１２Ｂでは、補助インダクタＬ２ＡとＬ２Ｂのインダクタンス値及び補助キャパシタＣ２ＡとＣ２Ｂの静電容量の設計基準電圧が異なっており、それぞれ主回路部１１への入力電圧の異なる電圧範囲において機能する。この場合、入力電圧と比較される閾値の設定によって、例えば、図５に示すような３通りの制御方法が考えられる。
【００２０】
図５（ａ）は、入力電圧と比較される閾値として、第１閾値、第２閾値及び第３閾値を設定し、制御部１３は、入力電圧検出部１４により検出された入力電圧とこれら第１閾値、第２閾値及び第３閾値と比較する。主回路部１１への入力電圧が１００Ｖ〜４００Ｖの間で変化すると仮定すると、一例として、最も高い第１閾値を３２０Ｖ、中間の第２閾値を２５０Ｖ、最も低い第３閾値を１８０Ｖに設定してもよい。入力電圧が１８０Ｖ以上、２５０Ｖ未満を第１の電圧範囲（所定の電圧範囲）とし、２５０Ｖ以上、３２０Ｖ未満を第２の電圧範囲（他の所定の電圧範囲）とする。第１の電圧範囲では、図６（ａ）に示すように、第１補助回路部１２Ａを機能させ、第２補助回路部１２Ｂを機能させない。この場合、第１補助回路部１２Ａが機能しているので第１制御Ａと称する。一方、第２の電圧範囲では、図６（ｂ）に示すように、第２補助回路部１２Ｂを機能させ、第１補助回路部１２Ａを機能させない。この場合、第２補助回路部１２Ｂが機能しているので第１制御Ｂと称する。このように閾値を３つ設定することにより、主回路部１１の入力電圧に応じて４段階の制御が可能であり、より効果的に電力損失を低減することができる。なお、これらの閾値の具体的数値は任意に設定できることは言うまでもない。
【００２１】
図５（ｂ）及び（ｃ）は、入力電圧と比較される閾値として、第１閾値及び第２閾値を設定し、制御部１３は、入力電圧検出部１４により検出された入力電圧とこれら第１閾値及び第２閾値と比較する。上記の場合と同様に、主回路部１１への入力電圧が１００Ｖ〜４００Ｖの間で変化すると仮定すると、高い方の第１閾値を３００Ｖ、低い方の第２閾値を２００Ｖに設定する。図５（ｂ）では、入力電圧が３００Ｖ以上を第１の電圧範囲（所定の電圧範囲）とし、２００Ｖ以上、３００Ｖ未満を第２の電圧範囲（他の所定の電圧範囲）とする。一方、図５（ｃ）では、入力電圧が２００Ｖ以上、３００Ｖ未満を第１の電圧範囲（所定の電圧範囲）とし、２００Ｖ未満を第２の電圧範囲（他の所定の電圧範囲）とする。図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の電圧範囲では第１制御Ａを行い、第２の電圧範囲では第１制御Ｂを行う。
【００２２】
なお、第１補助回路部１２Ａと第２補助回路部１２Ｂの補助インダクタＬ２ＡとＬ２Ｂのインダクタンス値及び補助キャパシタＣ２ＡとＣ２Ｂの静電容量の設計基準電圧は、それぞれ第１の電圧範囲及び第２の電圧範囲の中間電圧に設定することが好ましい。また、図示しないが、補助回路部は３つ以上設けられていてもよい。また、その場合の閾値の設定数や具体的な値は、任意に設定できることは言うまでもない。さらに、図６に示すように、補助スイッチング素子Ｑ２Ａ、Ｑ２Ｂの導通時間及び主スイッチング素子Ｑ１のデューテイ比は、太陽光発電システムにおける最大電力点追従制御などに応じて適宜設定される。
【符号の説明】
【００２３】
１０  ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１  主回路部
１２  補助回路部
１２Ａ  第１補助回路部
１２Ｂ  第２補助回路部
１３  制御部
１４  入力電圧検出部
Ｑ１  主スイッチング素子
Ｑ２  補助スイッチング素子
Ｑ２Ａ  第１補助スイッチング素子
Ｑ２Ｂ  第２補助スイッチング素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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